Stereo-Beobachtungen von Wolken zur Validierung von LES und zur Entwicklungen von Wolkenparameterisierungen (SOCLES)

• Antragsteller: Professor Dr. Roel Neggers; Dr. Bernhard Pospichal; Professor Dr. Clemens Simmer
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430226822

Wir schlagen die Kombination von hochfrequenten Wolkenbeobachtungen mittels multiplen Stereokamerabeobachtungen mit LES Simulationen über einer Superbeobachtungsstation in den mittleren Breiten vor, um die kleinskaligen räumlichen und zeitlichen Strukturen von niedrigen Cumulus-Populationen besser zu verstehen und zu quantifizieren. Diese Wolkenfelder sind äußerst heterogen und entwickeln sich zudem sehr schnell und auf einem weiten Skalenbereich, was die Berücksichtigung ihres Einflusses auf die größerskalige Strömung und die Energiebilanz in numerischen Modellen für Wettervorherage und Klimaprojektionen erschwert. Dieses Projekt will Wissenslücken bezüglich kleinskaligen Wolkenstruckturen füllen, welche die Weiterentwicklung von Cumulusparameterisierungen bislang behindert haben. Diese Problematik gewinnt an Dringlichkeit durch aktuelle Entwicklungen im Supercomputing, die es zunehmend erlauben immer höher aufgelöste Simulationen durchzuführen, welche die Annahmen von bisherigen Cumulusparameterisierungen verletzen. Wir bearbeiten diese Problematik durch die Nutzung der Synergie zwischen LES und Stereokamerabeobachtungen. Die hohe Auflösung von 4D-Stereokamerarekonstruktionen und ihre hohe räumliche Überdeckung erlaubt es uns Cumulus-Populationen mit bislang unerreichtem Detail zu vermessen, was mit herkömmlichen vertikal beobachtenden Fernerkundungsinstrumenten und Satellitenbeobachtungen nicht möglich ist. Diese Rekonstruktionen werden wir verwenden um LES Simulationen zu validieren und bestehende Wolkenparametrisierungen zu testen und weiter zu entwickeln. Die hochaufgelösten, validierten Modellsimulationen erweitern dabei die Beobachtungsbasis und erlauben gleichzeitig die Überprüfung und Planung von verbesserten Messstrategien mit Stereokameranetzwerken. Wir stellen den Hypothesen auf, dass die Verwendung offener Modellgrenzen, mehrfacher Nesting und detailliertere Topographie den Realismus der simulierten Wolken weiter verbessern kann in Vergleich mit idealisierten routine-LES über Beobachtungsstationen. Die Prüfung dieser Hypothese ist ein Hauptforschungsziel und beinhaltet die Bestimmung der Modellauflösung, bei der die LES-simulierten Wolkenstrukturen mit denen aus den Beobachtungen statistisch übereinstimmen, sowie die Quantifizierung der Auswirkungen von Unsicherheiten in großskalige Modellantriebsdaten. Es wird ein einfacher Stereokamerasimulator für LES entwickelt, um einen fairen Vergleich zwischen modellierten und gemessenen Daten zu ermöglichen. Datenstratifizierung nach Umgebungsparametern und Clustering-Verfahren werden verwendet um parametrische Beziehungen zwischen den meteorologischen Bedingungen und den Größen, welche die Wolkengrößen und -strukturen verbinden, zu identifizieren und zu quantifizieren. Das zentrale Ziel des Projektes ist die Daten zu nutzen um Parameterisierungen für Konvektion und Wolkenüberlappungen in Wettervohersage- und Klimamodellen zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen